Erfenis van een ruimte-instrument

Case

Erfenis van een ruimte-instrument

HIFI stopt met meten

Ruimtetelescoop Herschel is niet meer. Na bijna vier jaar meten van infraroodstraling uit het heelal, was zijn voorraad vloeibaar helium op. Volgens planning. Zonder koeling konden de infraroodcamera’s SPIRE en PACS niet meer waarnemen. Datzelfde gold voor de spectrometer HIFI, ontworpen en gebouwd door het NWO-ruimteonderzoeksinstituut SRON. De wetenschappelijke oogst is overvloedig.

[door Bruno van Wayenburg / Illustratie: ESA]

Het was het operationele einde van 'het grootste ruimtevaartproject dat Nederland ooit geleid heeft', zegt Frank Helmich van SRON, Principal Investigator van HIFI. Aan het HIFI-project, met 23 partners in 11 landen, deden ruim 300 wetenschappers mee. 'Normaal gesproken krijgen binnen de Europese ruimtevaartorganisatie ESA alleen de grote landen Frankrijk, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk zulke projecten onder hun hoede,' zegt Helmich, 'Nederland is de enige uitzondering, en dat is vanwege SRON.'

Het resultaat is een schat aan kennis over fysisch-chemische processen in het heelal. Moleculenjager HIFI heeft honderden publicaties opgeleverd, zegt Helmich, 'terwijl de meeste data nog geanalyseerd moeten worden.' Toch was het niet altijd een succesverhaal. Op 3 augustus 2009, iets meer dan drie maanden na de lancering aan boord van een Ariane 5-raket, constateerde mission control Darmstadt dat HIFI was uitgeschakeld vanwege een fouttoestand. Het leek erop dat het instrument, waaraan honderden mensen decennialang gewerkt hadden, de geest had gegeven.

‘Een nieuw beeld van de vorming van sterren uit gaswolken in het heelal’
- Ewine van Dishoeck

Weken van koortsachtige analyse en experimenten met een reserve-exemplaar van HIFI brengen uiteindelijk aan het licht hoe de boordcomputer een veiligheidsschakelaar zou hebben kunnen ingeschakeld, waarbij door een fatale spanningspiek een onderdeel doorbrandde. Er wordt een software-patch verzonden die dit probleem oplost, en in januari 2010 kan het reservesysteem worden ingeschakeld. Helmich: 'De meeste systemen zijn dubbel uitgevoerd, juist voor dit soort gevallen, maar die wil je pas activeren als je zeker weet wat er misgegaan is. Sindsdien hebben we geen hiccups meer gehad. Het was een zenuwslopende tijd, maar ik heb wel groot respect gekregen voor mijn collega's, die echt alles op alles gezet hebben om de storing op te lossen.'

'Het is wel even een angstig moment geweest,' zegt ook NWO-Spinozalaureate Ewine van Dishoeck, hoogleraar aan de Sterrewacht in Leiden. Van Dishoeck, gespecialiseerd in fysisch-chemische processen in interstellaire wolken, was bijna vanaf het allereerste begin betrokken bij het ontwerp van HIFI . 'Ik weet nog dat ik bij een van de eerste vergaderingen zat, als promovendus in 1982,' vertelt ze in haar werkkamer. 'Toen hij in 2009 gelanceerd werd, was ik enorm zenuwachtig: al die tijd die erin zat. En nu is alles alweer voorbij, best snel eigenlijk.'

Veertig publicaties voor één groep

Samen met een team van zeventig onderzoekers wereldwijd publiceerde haar groep inmiddels zo'n veertig HIFI-publicaties. Een groot voordeel van betrokkenheid bij het ontwerpen en bouwen van een instrument als HIFI is de gegarandeerde waarneemtijd in de operationele fase, vertelt de onderzoekster: 'Dat is het worstje dat je de hele tijd voor je neus gehouden wordt als beloning voor je inspanningen.'

Een instrument als HIFI was nog niet eerder in de ruimte geweest: een spectrometer voor elektromagnetische straling met een golflengte van enkele honderden micrometers. Moleculen, waaronder water en zuurstof, kunnen zulke straling absorberen of uitzenden, waardoor ze hun aanwezigheid verraden. Maar vanaf de aarde is dat niet te zien, omdat het water in onze eigen atmosfeer de straling beïnvloedt. Helmich: 'Die atmosfeer zit daardoor potdicht. Dus moet je wel vanuit de ruimte kijken.'

Door de gebruikte techniek (zie kader) heeft HIFI een hoog oplossend vermogen, wat betekent dat de afzonderlijke absorptie- of emissielijnen goed te onderscheiden zijn. Helmich: 'Daardoor kun je bewegingen van de moleculen goed zien: die worden verraden door veranderingen in de golflengte van de straling.' Zo geeft het licht van één pixel toch een schat aan informatie: snelheidsverschillen van het gas zijn te onderscheiden tot op tientallen meters per seconde.

'We hebben een nieuw, veel preciezer beeld van de vorming van sterren uit gaswolken in het heelal, en vooral van de rol van water daarin,' zegt Van Dishoeck. IJle wolken van waterstof, zuurstof en andere atomen of moleculen kunnen zich onder invloed van de zwaartekracht verdichten: de concentratie van massa trekt meer massa aan, en zo vormt zich een bolvormig 'protostellair omhulsel' van gas, waarbinnen voorlopers van sterren ontstaan. Als zo'n protoster zwaar genoeg is, start er in zijn binnenste een kernfusiereactie en gaat de ster schijnen.

Tegelijkertijd vormt zich vaak een draaiende schijf van gas en stof rond de ster, waaruit later planeten kunnen ontstaan, door het aaneen klitten van stof tot steeds grotere deeltjes. IJs speelt hierbij een belangrijke rol. Van Dishoeck: 'Het is eigenlijk die hele kringloop die we wilden onderzoeken.' Met dat doel bracht HIFI ruim 80 protosterren in beeld in verschillende evolutiestadia.

 

Herschel's view of the Horsehead NebulaESA’s Herschel space observatory maakte dit beeld van de Horsehead Nebula in het sterrenstelsel Orion, 1300 lichtjaar van de aarde. Credits: ESA/Herschel/PACS, SPIRE/N. Schneider, Ph. André, V. Könyves (CEA Saclay, France) for the ‘Gould Belt survey’ Key Programme

Herkomst van water

De gegevens maakten de herkomst van water duidelijker. 'We weten nu dat het water in zulke schijven vrij vroeg gevormd wordt. Zuurstof vriest vast op stofdeeltjes, waarna er waterstofatomen op botsen, zodat er in een koude chemische reactie ijs ontstaat. Verrassend was ook de vondst van heel snel bewegend water, in een soort draaikolk die door de jonge ster wordt uitgestoten.

Als de gaswolk dan later ineenstort, komt het water mee. Onder de juiste omstandigheden kan het zich ook ophopen in protoplanetaire schijven en uiteindelijk ook op planeten, zoals ooit met onze aarde gebeurd moet zijn. Van Dishoeck: 'Het is nu wel duidelijk dat het meeste water in onze oceanen al zo'n 4,5 miljard jaar geleden gevormd is.' Een van de meest geslaagde metingen vond Van Dishoeck detectie van water in de schijf rond een jonge ster, 'genoeg voor 6000 oceanen.'

Toch ging HIFI niet alleen over water, zegt Helmich, ook andere interstellaire moleculen zijn veel preciezer in beeld gekomen. 'Een van de hoogtepunten vond ik de meting van emissiespectraallijnen van waterstoffluoride in wolken in het sterrenbeeld Orion.' De verwachting was dat licht door zulke wolken geabsorbeerd zou worden. 'Maar nu zagen we, volkomen onverwacht, emissielijnen.' Dat betekent dat het waterstoffluoride zelf het licht uitzendt. Dat is vreemd, omdat het gas te koud is om zelf te stralen. De verklaring: waarschijnlijk licht het gas op door botsingen met vrije elektronen, zoals het gas in een neonbuis.

Helmich benadrukt dat de erfenis van HIFI niet alleen wetenschappelijk van aard is. 'De technologie van heterodyne mixers, in HIFI voor het eerst gebruikt, is inmiddels overal terug te vinden. Bijvoorbeeld in de ALMA-telescopen in Chili.' En HIFI heeft SRON een schat aan ervaring en organisatorische kennis opgeleverd. 'Het is heel mooi om te zien hoe zo'n project vooral mensenwerk is en hoe goed dat meestal gaat. Er zijn soms heel moeilijke keuzes gemaakt, maar in bijna alle gevallen zijn die goed uitgepakt.'

HIFI, de watermeter

HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared) is een spectrometer voor elektromagnetische straling in golflengtegebieden 157 tot 213 micrometer en 236 tot 625 micrometer. Zulke frequenties zijn moeilijk te meten: de golflengtes zijn te kort voor conventionele radio-elektronica, maar te lang voor standaardoptica. HIFI gebruikt de heterodynetechniek, afkomstig uit radio-ontvangers. Daarbij wekt het instrument zelf een signaal op met de gewenste meetfrequentie, en dat wordt in een 'mixer' gecombineerd met het signaal uit het heelal, opgevangen met kleine antennes. De combinatie van die twee geeft een 'zweeftoon': een signaal met een frequentie die het verschil is van de twee bronfrequenties. Door deze zweeftonen precies te meten, kan HIFI onderscheid maken tussen signalen die een tienmiljoenste in golflengte van elkaar verschillen.